MOS-GCT的关断机理与特性分析
发布时间：2020-07-07 23:01
【摘要】：集成门极换流晶闸管(IGCT)采用“硬驱动”技术来控制其开通和关断,门极控制单元需要提供一个上升率和幅值很高的电流脉冲,这要求GCT和门极驱动单元之间必须有很低的电感和电阻,因此通常将GCT与门极驱动电路集成在一个印刷电路板上,这会使得IGCT的驱动电路很复杂,体积庞大且灵活性低。为解决IGCT存在的上述问题,本文提出了一种双门极MOS-GCT,将关断电路中的pMOS管直接集成在GCT芯片上,利用负栅压来控制pMOS开通,以实现内部瞬间换流,达到简化驱动电路的目的。本文以3.3kV电压等级为例,利用Sentaurus-TCAD软件研究了双门极MOS-GCT的开关机理,并对各项特性进行仿真,分析了关键结构参数及高温对器件特性的影响,最后对一种集成化MOS-GCT的工作机理和特性进行了研究。主要研究内容如下:第一,分析了双门极MOS-GCT的结构、工作原理及其工艺特点,确定了芯片制作的工艺流程,并进行了相应的工艺模拟。建立了结构模型和动态特性测试电路,仿真分析了关断过程中器件内部的电场强度分布、载流子浓度分布及电流密度的变化,研究了双门极MOS-GCT的关断机理。研究表明,双门极MOS-GCT在关断时可实现内部瞬间换流。第二,研究双门极MOS-GCT的静、动态特性,分析了关键结构参数,如集成的pMOS的结构参数,n-基区,p基区厚度以及n+阴极区宽度对器件各项特性的影响,并提取合理的结构参数;对比分析了温度对器件特性的影响。第三,将双门极MOS-GCT的开通门极(Gon)和关断门极(Goff)合并,形成了一种集成化的MOS-GCT。分析了集成化MOS-GCT的结构特点与工艺方法,研究了其阻断与开关机理,并与双门极MOS-GCT的各项特性进行了对比。结果表明,采用集成化门极的MOS-GCT在开关特性上虽略逊于双门极MOS-GCT,但完全可以通过电压来驱动,因此可进一步简化了驱动电路和封装结构。本文的研究结果对IGCT的设计与开发有一定的参考价值。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN34
【图文】：
T 器件结构的发展1996 年 ABB 公司提出一种透明阳极硬驱动 GTO，使其关断增益降为 1。因为 GTO 拥大的吸收电路[4]，人们一直对它保持固有成见。因此于 1997 年将透明阳极硬驱动 GTO为集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristors）。ABB 公司商品化的 主要有三种类型：非对称型，逆导型，逆阻型。其中非对称 GCT 已经产品化的电压有：4.5kV，5.5kV，6.5kV，且可达到 10kV 电压等级的研制水平，相比较两个 4.5kVCT 串联，一个 10kV IGCT 的使用能够在每个开关位置处在元件数量上减少 41% 71%靠性上增加 56%[5]。日本的三菱公司于 1998 年也开发了直径是 88mm 的 6kV/4kA 的6]。图 1-1(a)为非对称 GCT(A-GCT)的结构剖面图，其正向阻断电压大，反向阻断电压很大约为 20V。图 1-1(b)是逆导型 GCT（RC-GCT）的剖面图，它是将 A-GCT 与 pn-nn管反并联集成在同一芯片上，大大简化了相关构件的压装。逆阻 GCT(RB-GCT)它是T 与一个二极管同向串联之后，再封装在一个管壳之内，可实现正、反向耐压的需求文献将它称为对称门极换流晶闸管，即 SGCT。
(a)双门极 GCT 的结构剖面图 (b)双门极 GCT 的等效电路图图 1-2 Dual Gate GCT 的结构剖面图和等效电路图Fig 1-2 Structure profile and equivalent circuit of Dual Gate GCT2007 年，ABB 公司在 GCT 的结构中，引入了波纹状的基区，这种技术被成igh-Power Technology”技术，图 1-3 为波状基区的 GCT 新结构，此结构提高了电流关力，增大了安全工作区，且在高温下有高的关断能力[8][9]。安全工作区的扩展与主结的分布有关，主结附近的电场由于波状的形状而得到调制，并且 p 基区波纹的形状有最优的幅度，可使得安全工作区达到最大值[10]。
剖面图 (b)双门极 GCT 1-2 Dual Gate GCT 的结构剖面图和等效电路Structure profile and equivalent circuit of Dual G GCT 的结构中，引入了波纹状的基术，图 1-3 为波状基区的 GCT 新结构，且在高温下有高的关断能力[8][9]。安全电场由于波状的形状而得到调制，并且工作区达到最大值[10]。
本文编号：2745738
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN34
【图文】：
T 器件结构的发展1996 年 ABB 公司提出一种透明阳极硬驱动 GTO，使其关断增益降为 1。因为 GTO 拥大的吸收电路[4]，人们一直对它保持固有成见。因此于 1997 年将透明阳极硬驱动 GTO为集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristors）。ABB 公司商品化的 主要有三种类型：非对称型，逆导型，逆阻型。其中非对称 GCT 已经产品化的电压有：4.5kV，5.5kV，6.5kV，且可达到 10kV 电压等级的研制水平，相比较两个 4.5kVCT 串联，一个 10kV IGCT 的使用能够在每个开关位置处在元件数量上减少 41% 71%靠性上增加 56%[5]。日本的三菱公司于 1998 年也开发了直径是 88mm 的 6kV/4kA 的6]。图 1-1(a)为非对称 GCT(A-GCT)的结构剖面图，其正向阻断电压大，反向阻断电压很大约为 20V。图 1-1(b)是逆导型 GCT（RC-GCT）的剖面图，它是将 A-GCT 与 pn-nn管反并联集成在同一芯片上，大大简化了相关构件的压装。逆阻 GCT(RB-GCT)它是T 与一个二极管同向串联之后，再封装在一个管壳之内，可实现正、反向耐压的需求文献将它称为对称门极换流晶闸管，即 SGCT。
(a)双门极 GCT 的结构剖面图 (b)双门极 GCT 的等效电路图图 1-2 Dual Gate GCT 的结构剖面图和等效电路图Fig 1-2 Structure profile and equivalent circuit of Dual Gate GCT2007 年，ABB 公司在 GCT 的结构中，引入了波纹状的基区，这种技术被成igh-Power Technology”技术，图 1-3 为波状基区的 GCT 新结构，此结构提高了电流关力，增大了安全工作区，且在高温下有高的关断能力[8][9]。安全工作区的扩展与主结的分布有关，主结附近的电场由于波状的形状而得到调制，并且 p 基区波纹的形状有最优的幅度，可使得安全工作区达到最大值[10]。
剖面图 (b)双门极 GCT 1-2 Dual Gate GCT 的结构剖面图和等效电路Structure profile and equivalent circuit of Dual G GCT 的结构中，引入了波纹状的基术，图 1-3 为波状基区的 GCT 新结构，且在高温下有高的关断能力[8][9]。安全电场由于波状的形状而得到调制，并且工作区达到最大值[10]。
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 张明;陈芳林;李继鲁;蒋谊;陈彦;赵燕峰;;国内IGCT器件的新进展[J];大功率变流技术;2008年06期
2 余世科;新型电力电子器件IGCT及其应用[J];世界电子元器件;2003年09期
3 Harold M．Stillman,杨维莉;用于中等电压的兆瓦级功率开关器件─—IGCT[J];国外内燃机车;1998年05期
4 冯玉春,罗晋生;MCT关断特性的分析[J];电力电子技术;1997年01期
本文编号：2745738
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